Manuel d'introduction à la technologie membranaire d'A.Svitsov. La structure des molécules d'eau, leurs connexions et propriétés. L'influence des influences physiques externes sur les molécules d'eau

La principale substance qui permet à la vie d’exister sur la planète est l’eau. C’est nécessaire dans toutes les conditions. L'étude des propriétés des liquides a conduit à la formation de toute une science : l'hydrologie. Le sujet d'étude de la plupart des scientifiques est proprietes physiques et chimiques. Ils entendent par ces propriétés : les températures critiques, le réseau cristallin, les impuretés et autres caractéristiques individuelles d'un composé chimique.

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Formule à l'eau connu de tous les écoliers. Ce sont trois signes simples, mais ils sont contenus dans 75 % de la masse totale de tout ce qui existe sur la planète.

H2O- ce sont deux atomes et un - . La structure de la molécule a une forme empirique, c'est pourquoi les propriétés du liquide sont si diverses, malgré sa composition simple. Chacune des molécules est entourée de voisines. Ils sont reliés par un seul réseau cristallin.

Simplicité de structure permet à un liquide d'exister dans plusieurs états d'agrégation. Aucune substance sur la planète ne peut s'en vanter. L'H2O est très mobile dans cette propriété, juste derrière l'air. Tout le monde connaît le cycle de l’eau : après son évaporation de la surface de la terre, la pluie ou la neige tombent quelque part au loin. Climatisé précisément en raison des propriétés du liquide, qui peut dégager de la chaleur, alors qu'il ne change pratiquement pas sa température.

Propriétés physiques

H2O et ses propriétés dépendent de nombreux facteurs clés. Les principaux :

• Cellule de cristal. La structure de l'eau, ou plutôt son réseau cristallin, est déterminée par son état d'agrégation. Sa structure est lâche mais très solide. Les flocons de neige présentent un réseau à l'état solide, mais à l'état liquide habituel, l'eau n'a pas de structure cristalline claire, elle est mobile et changeante.
• La structure de la molécule est une sphère. Mais l’influence de la gravité fait que l’eau prend la forme du récipient dans lequel elle se trouve. Dans l’espace, sa forme sera géométriquement correcte.
• L'eau réagit avec d'autres substances, y compris celles qui possèdent des paires d'électrons non partagées, notamment l'alcool et l'ammoniac.
• A une capacité thermique et une conductivité thermique élevées, chauffe rapidement et ne refroidit pas longtemps.
• On sait depuis l’école que le point d’ébullition est de 100 degrés Celsius. Des cristaux apparaissent dans le liquide lorsqu'il descend à +4 degrés, mais de la glace se forme à une diminution encore plus importante. Le point d'ébullition dépend de la pression sous laquelle H2O est placé. Il existe une expérience dans laquelle la température d'un composé chimique atteint 300 degrés et le liquide ne bout pas, mais fait fondre le plomb.
• Une autre propriété importante est la tension superficielle. La formule à l'eau lui permet d'être très durable. Les scientifiques ont découvert que pour le briser, il faudrait une force d'une masse supérieure à 100 tonnes.

Intéressant! H2O, purifié des impuretés (distillé), ne peut pas conduire le courant. Cette propriété de l'oxyde d'hydrogène n'apparaît qu'en présence de sels dissous.

Autres caractéristiques

La glace est état unique, ce qui est caractéristique de l’oxyde d’hydrogène. Il forme des liens lâches qui se déforment facilement. De plus, la distance entre les particules augmente considérablement, ce qui rend la densité de la glace bien inférieure à celle du liquide. Cela permet aux réservoirs de ne pas geler complètement en hiver, préservant ainsi la vie sous une couche de glace. Les glaciers constituent une grande réserve d’eau douce.

Intéressant! H2O présente une condition unique appelée phénomène du point triple. C'est alors qu'elle se trouve dans trois de ses états à la fois. Cette condition n'est possible qu'à une température de 0,01 degrés et une pression de 610 Pa.

Propriétés chimiques

Propriétés chimiques de base:

• L'eau est divisée selon sa dureté, de douce à moyenne à dure. Cet indicateur dépend de la teneur en sels de magnésium et de potassium dans la solution. Il y a aussi ceux qui sont constamment dans le liquide, et certains peuvent être éliminés en les faisant bouillir.
• Oxydation et réduction. H2O affecte les processus étudiés en chimie qui se produisent avec d'autres substances : il en dissout certaines et réagit avec d'autres. Le résultat de toute expérience dépend du choix correct des conditions dans lesquelles elle se déroule.
• Influence sur les processus biochimiques. Eau la partie principale de toute cellule, comme dans un environnement, toutes les réactions du corps se produisent.
• À l’état liquide, il absorbe les gaz inactifs. Leurs molécules sont situées entre les molécules H2O à l'intérieur des cavités. C'est ainsi que se forment les clathrates.
• À l'aide de l'oxyde d'hydrogène, de nouvelles substances se forment qui ne sont pas associées au processus redox. Nous parlons d'alcalis, d'acides et de bases.
• Une autre caractéristique de l’eau est sa capacité à former des hydrates cristallins. L'oxyde d'hydrogène reste inchangé. Parmi les hydrates courants, on peut distinguer le sulfate de cuivre.
• Si un courant électrique traverse la connexion, alors la molécule peut être décomposée en gaz.

Importance pour une personne

Il y a très longtemps, les gens ont réalisé l'importance inestimable des liquides pour tous les êtres vivants et pour la planète dans son ensemble. . Sans elle une personne ne peut pas vivre et des semaines . Quel est l’effet bénéfique de cette substance la plus répandue sur Terre ?

• L’application la plus importante est sa présence dans l’organisme, dans les cellules où se déroulent toutes les réactions les plus importantes.
• La formation de liaisons hydrogène a un effet bénéfique sur les êtres vivants, car lorsque la température change, le liquide contenu dans le corps ne gèle pas.
• Les gens utilisent depuis longtemps H2O pour leurs besoins quotidiens, en plus de la cuisine, comme la lessive, le ménage, le bain.
• Aucune installation industrielle ne peut fonctionner sans fluide.
• H2O – source de vie et de santé, elle est médecine.
• Les plantes l’utilisent à toutes les étapes de leur développement et de leur vie. Avec son aide, ils produisent de l'oxygène, un gaz si nécessaire à la vie des êtres vivants.

En plus des propriétés bénéfiques les plus évidentes, il en existe bien d’autres.

L'importance de l'eau pour l'homme

Température critique

H2O, comme toutes les substances, a une température qui appelé critique. La température critique de l'eau est déterminée par la méthode de chauffage. Jusqu’à 374 degrés Celsius, le liquide est appelé vapeur ; il peut encore revenir à son état liquide habituel, à une certaine pression. Lorsque la température dépasse ce point critique, l’eau, en tant qu’élément chimique, se transforme irrévocablement en gaz.

Application en chimie

H2O présente un grand intérêt pour les chimistes en raison de sa propriété principale : la capacité de se dissoudre. Les scientifiques l'utilisent souvent pour purifier des substances, créant ainsi des conditions favorables à la réalisation d'expériences. Dans de nombreux cas, il fournit un environnement dans lequel des tests pilotes peuvent être effectués. De plus, H2O lui-même participe aux processus chimiques, influençant l'une ou l'autre expérience chimique. Il se combine avec des substances non métalliques et métalliques.

Trois états

L'eau apparaît devant les gens trois états, appelés agrégats. Ce sont du liquide, de la glace et du gaz. La substance est la même en composition, mais ses propriétés sont différentes. U

La capacité de se réincarner est une caractéristique très importante de l'eau pour la planète entière, c'est pourquoi sa circulation se produit.

En comparant les trois états, une personne voit plus souvent le composé chimique sous forme liquide. L'eau n'a ni goût ni odeur, et ce qu'on y ressent est dû à la présence d'impuretés, de substances qui y sont dissoutes.

Les principales propriétés de l'eau à l'état liquide sont : une puissance énorme, qui permet d'aiguiser les pierres et de détruire les roches, ainsi que la capacité de prendre n'importe quelle forme.

Lorsque les petites particules gèlent, elles réduisent leur vitesse et augmentent leur distance. la structure de la glace est poreuse et une densité inférieure à celle du liquide. La glace est utilisée dans les unités de réfrigération à diverses fins domestiques et industrielles. Dans la nature, la glace ne provoque que des destructions, tombant sous forme de grêle ou d'avalanche.

Le gaz est une autre condition qui se forme lorsque la température critique de l’eau n’est pas atteinte. Généralement à des températures supérieures à 100 degrés, ou par évaporation de la surface. Dans la nature, ce sont des nuages, des brouillards et des vapeurs. La formation artificielle de gaz a joué un rôle majeur dans le progrès technologique au XIXe siècle, lorsque les machines à vapeur ont été inventées.

Quantité de substance dans la nature

75% - un tel chiffre peut paraître énorme, mais il s'agit de toute l'eau de la planète, même celle qui se trouve dans différents états d'agrégation, en êtres vivants et en composés organiques. Si l'on prend en compte uniquement l'eau liquide, c'est-à-dire l'eau présente dans les mers et les océans, ainsi que l'eau solide - dans les glaciers, alors le pourcentage devient 70,8 %.

Répartition en pourcentage quelque chose comme ça:

• mers et océans – 74,8%
• L'H2O provenant de sources fraîches, inégalement réparties sur la planète, représente 3,4 % dans les glaciers et seulement 1,1 % dans les lacs, les marécages et les rivières.
• Les sources souterraines représentent environ 20,7 % du total.

Caractéristiques de l'eau lourde

Substance naturelle - de l'hydrogène se produit comme trois isotopes, l’oxygène existe également sous le même nombre de formes. Cela permet d'isoler le deutérium et le tritium en plus de l'eau potable ordinaire.

Le deutérium a la forme la plus stable, on le trouve dans toutes les sources naturelles, mais en très petites quantités. Un liquide avec cette formule présente un certain nombre de différences par rapport à un liquide simple et léger. Ainsi, la formation de cristaux commence déjà à une température de 3,82 degrés. Mais le point d'ébullition est légèrement plus élevé - 101,42 degrés Celsius. Il a une densité plus élevée et sa capacité à dissoudre les substances est considérablement réduite. Il est également désigné par une formule différente (D2O).

Les systèmes vivants réagissent mauvais pour un tel composé chimique. Seuls certains types de bactéries étaient capables de s’adapter à la vie. Le poisson n’a pas du tout survécu à une telle expérience. Dans le corps humain, le deutérium peut rester plusieurs semaines, puis est éliminé sans danger.

Important! Boire de l’eau deutérium est interdit !

Propriétés uniques de l'eau. - Juste.

Conclusion

L'eau lourde est largement utilisée dans les industries nucléaires et nucléaires, et l'eau ordinaire est utilisée partout.

L'importance de l'eau pour la vie végétale

Conférence 10. Échange d'eau.

1. L'importance de l'eau pour la vie végétale

2. Structure et propriétés de l'eau

3. Échange d'eau dans une cellule végétale

3.1. Formes d'eau dans les cellules végétales

3.2. Potentiel hydrique. Osmose. Transport de l'eau dans une cellule végétale

4. Absorption d'eau osmotique

5. Mécanismes de mouvement de l'eau

6. Moteurs d'extrémité supérieure et inférieure

7. Mouvement de l'eau dans les navires

8. L'influence de la carence en eau sur les processus physiologiques

9. Caractéristiques de l'échange d'eau de différents groupes écologiques de plantes

Dans les tissus végétaux, l’eau représente 70 à 95 % de la masse du bâtiment. Le rôle de l'eau dans tout l'organisme est diversifié. Considérons les fonctions de l'eau dans les objets biologiques :

Le milieu aquatique réunit toutes les parties du corps en un seul tout. Dans le corps végétal, l’eau est un milieu continu, depuis l’eau absorbée par les racines jusqu’aux feuilles qui évaporent l’eau dans l’atmosphère.

L'eau est le solvant et le milieu le plus important pour les réactions biochimiques ;

L'eau participe à l'ordonnancement des structures des cellules ; elle fait partie des molécules protéiques, déterminant leur conformation ;

L'eau est un métabolite et un participant direct aux réactions biochimiques. Par exemple, lors de la photosynthèse, l’eau est un donneur d’électrons ; elle est nécessaire à l’hydrolyse et à la synthèse des substances.

L'eau est le composant principal du système de transport des plantes ;

L'eau est un facteur de thermorégulation ; elle protège les plantes des brusques variations de température ;

L'eau est un amortisseur sous contrainte mécanique ;

Grâce aux phénomènes d'osmose et de turgescence, il assure l'état élastique des cellules (toutes les plantes, selon leur capacité à réguler le volume d'humidité qu'elles contiennent, sont divisées en poikihydrothermiques et homéohydrothermiques. Poikihydrothermiques - ne peut pas réguler le volume d'eau dans le corps, par exemple les algues, les plantes aquatiques, etc. Les plantes homéohydrothermiques peuvent réguler le volume d'eau dans le corps grâce aux stomates).

L'eau peut être dans trois états d'agrégation : solide, liquide et gazeux. Dans chacun de ces états, la structure de l’eau n’est pas la même. Lors de la surgélation avec de l'azote liquide, les molécules d'eau n'ont pas le temps de former un réseau cristallin et l'eau acquiert un état vitreux solide (état de vitrification). Cette propriété de l’eau permet aux organismes vivants de geler sans dommage. L'état cristallin de l'eau se caractérise par une grande variété de formes (par exemple des flocons de neige).

2.1. Propriétés physiques de l'eau.

1. Densité.

A 4°C et une pression de 1 atm. Un cm 3 d'eau pèse un gramme. Ceux. la densité de l'eau est de 1. Lors de la congélation, le volume de l'eau augmente de 11 %.

2. Points d'ébullition et de congélation.

À une pression de 1 atm. Le point d'ébullition de l'eau est de 100°C, le point de congélation est de 0°C. Avec l'augmentation de la pression, le point de congélation diminue tous les 130 atm. de 1 o C et le point d’ébullition augmente.

3. Chaleur de fonte

La chaleur de fonte de la glace est de 0,335 kJ/h. La glace à pression normale peut avoir une température de -1 à -7 o C. La chaleur de vaporisation de l'eau est de 2,3 kJ/h.

4. Capacité thermique.

La capacité calorifique de l’eau est 5 à 30 fois supérieure à celle d’autres substances. La capacité thermique est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 o C. Cette caractéristique de l'eau s'explique par l'adhésion des molécules les unes aux autres (cohésion) due aux liaisons hydrogène.

5. Tension superficielle et adhérence.

Une tension superficielle est créée à la surface de l’eau (en raison de la capacité de cohésion des molécules). L'eau possède également la propriété d'adhésion (collage), nécessaire lorsque l'eau monte contre les forces gravitationnelles.

Eau- une substance inorganique dont les molécules sont constituées de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. La quantité d'eau varie selon les organismes. Le corps des méduses contient le plus d'eau (95 à 98 %), d'algues (plus de 80 %), la plus petite quantité se trouve dans les insectes (40 à 50 %) et les thalles de lichens (5 à 7 %). En moyenne, le corps des mammifères contient 75 % d'eau, dont 60 à 65 % du poids corporel de l'homme. La quantité d’eau n’est pas la même dans les différents tissus et organes d’un même organisme. Par exemple, chez l'homme, la teneur en eau des tissus et organes est la suivante : sang (83,0 %), reins (82,7 %), cœur (79,2 %), poumons (79,0 %), muscles (75,6 %), cerveau (74,8 %). %), peau (72,0 %), squelette (22,0 %), tissu adipeux (10,0 %).

La majeure partie de l'eau (70 % du volume) se trouve dans les cellules du corps sous forme libre et liée, une plus petite partie (30 % du volume) se déplace dans l'espace extracellulaire du corps et est à l'état libre. . Eau liée(4 à 5 %) peuvent être liés osmotiquement (eau en liaison avec des ions et des composés de faible poids moléculaire), liés de manière colloïdale (eau en liaison avec des groupes chimiques internes et de surface de composés de haut poids moléculaire) et liés structurellement (eau dans un espace fermé de composés biopolymères de haut poids moléculaire et de structure complexe). Eau gratuite(95-96%) est un solvant universel.

Signification de l'eau . Quantitativement, l’eau occupe la première place parmi les composés chimiques de toute cellule. La présence d'eau est une condition préalable à la vie des organismes. Quelles fonctions cette substance la plus répandue sur Terre remplit-elle dans les systèmes biologiques ?

L'eau est un solvant universel pour les composés ioniques et de nombreux composés covalents, assure l'apparition de réactions chimiques, le transport de substances vers et hors de la cellule.

Eau - réactif, avec la participation desquelles des réactions d'hydrolyse et d'hydratation, des réactions redox et acido-basiques se produisent dans les cellules.

Eau - régulateur de chaleur, maintient le régime thermique optimal des organismes et assure une répartition uniforme de la chaleur dans les systèmes vivants.

Eau - osmorégulateur, qui assure la forme des cellules et le transport des substances inorganiques.

Eau - soutien, assure l'état élastique des cellules (turgor), agit comme un amortisseur des influences mécaniques sur le corps et remplit la fonction d'hydrosquelette chez de nombreux animaux.

Eau - moyens de transport, communique dans les cellules, entre cellules, tissus, organes et assure l'homéostasie et le fonctionnement de l'organisme dans son ensemble.

Eau - habitat pour les organismes aquatiques, il effectue le mouvement passif, la fécondation externe, la dispersion des graines, des gamètes et des stades larvaires des organismes terrestres.

Eau - conformateur, est d'une grande importance dans l'organisation de la structure spatiale (conformation) des biopolymères.

Propriétés de l'eau. Le rôle de l'eau dans les biosystèmes est déterminé par ses propriétés physico-chimiques.

■ L'eau pure se caractérise par sa transparence, son absence de goût, de couleur et d'odeur. L'eau naturelle contient toujours diverses impuretés : substances dissoutes sous forme d'ions, substances non dissoutes sous forme de suspension. L'eau est la seule substance sur Terre qui se trouve simultanément et en grande quantité à l'état liquide, solide et gazeux.

■ La densité de l'eau à une température de 4°C est maximale et est de 1 g/cm3. À mesure que la température diminue, la densité diminue et la glace flotte à la surface de l’eau.

■ L'eau a une capacité thermique spécifique anormalement élevée (4,17 J/GC), une chaleur d'évaporation (à une température de 100°C - 2253 J/g), une chaleur de fusion (à une température de 0°C - 333,98 J/g ).

■ L'eau se caractérise par une tension superficielle exceptionnellement élevée en raison de puissantes forces d'adhésion (cohésion) associées à la formation de liaisons hydrogène entre les molécules.

■ L'eau possède une propriété caractéristique de collage (adhésion), qui se manifeste lorsqu'elle est soulevée contre les forces gravitationnelles.

■ L'eau à l'état liquide se caractérise par sa fluidité et sa non-compression, ce qui provoque les phénomènes osmose Et turgescence.

■ L'eau a des propriétés amphotères, c'est-à-dire qu'elle présente les propriétés à la fois d'un acide et d'une base et participe aux réactions acido-basiques.

■ L'eau peut agir à la fois comme agent réducteur et comme agent oxydant, réalisant des réactions métaboliques redox biologiquement importantes.

■ Les molécules d'eau sont polaires, c'est pourquoi elles participent aux réactions d'hydratation, assurant la dissolution de nombreux composés chimiques.

■ L'eau est impliquée dans des réactions de décomposition biologiquement importantes - réactions hydrolyse.

■ Les molécules d'eau sont capables de se dissocier en ions : H2O = H + + OH.

Caractéristiques de la structure des molécules d'eau. Les propriétés uniques de l'eau sont déterminées par la structure de ses molécules.

Dans une molécule d'eau, chaque atome d'hydrogène est contenu par un atome d'oxygène une liaison covalente dont l'énergie est de près de 110 kcal/mol. Grâce à cela, l’eau est un composé chimique très stable. La vapeur d'eau commence à se décomposer en O et H à des températures supérieures à 1000°C.

Dans une molécule d'eau, deux paires d'électrons sur quatre sont formées par une liaison covalente et sont décalées vers l'un des côtés de la molécule, formant deux pôles chargés positivement. Et les deux autres paires restent inséparées et sont décalées par rapport au noyau de l'atome d'oxygène vers le côté opposé, où elles forment deux pôles chargés négativement.

Les molécules d’eau sont donc polaires.

En raison de la polarité, les molécules d'eau voisines peuvent interagir entre elles et avec des molécules de substances polaires pour former les liaisons hydrogène, provoquant les propriétés physiques et les fonctions biologiques uniques de l’eau. L'énergie de cette liaison, comparée à l'énergie d'une liaison covalente, est faible. Elle n'est que de 4,5 kcal/mol, et grâce au mouvement thermique, ces liaisons entre les molécules d'eau se forment et se rompent constamment. Liaisons hydrogène - ce sont des liaisons entre deux atomes liés de manière covalente avec une valeur d'électronégativité élevée (O, N, F) à travers l'atome d'hydrogène H. Généralement, une liaison hydrogène est indiquée par trois points et est utilisée pour marquer , qu'il est beaucoup plus faible ; qu'une liaison covalente (environ 15 à 20 fois).

Les liaisons hydrogène jouent un rôle déterminant dans la formation de la structure quasi-cristalline spécifique de l'eau. Selon les idées modernes, la base de la structure de l'eau est cellule de cristal avec une partie des molécules d’eau libres brouillées par le mouvement thermique. L'eau à l'état solide est caractérisée par des réseaux cristallins moléculaires, puisque les cristaux sont construits à partir de molécules reliées les unes aux autres par des liaisons hydrogène. C'est la présence d'éléments du réseau cristallin, ainsi que la dipolarité des molécules d'eau, qui déterminent la valeur très élevée de la constante diélectrique relative de l'eau.

Les molécules d'eau liquide sont capables de polymérisation ou d'association pour former des associés (H2O) n. La formation d'associés denses se produit à +4 C, ce qui explique la forte densité de l'eau à cette température. Lorsqu'elles sont chauffées, les liaisons hydrogène sont détruites et les liaisons commencent à se diviser, car l'énergie du mouvement thermique augmente à partir de l'énergie de ces liaisons. Rompre les liaisons nécessite beaucoup d’énergie, d’où le point d’ébullition élevé et la chaleur spécifique de l’eau. Ceci est essentiel pour les organismes lors des fluctuations de la température ambiante.

L'analyse structurelle aux rayons X de l'eau a révélé que des fragments de la structure de la glace restent dans l'eau liquide. A une température de 20°C, environ 70 % des molécules se trouvent dans l'eau sous forme d'agrégats contenant en moyenne 57 molécules chacun. De telles unités sont appelées groupes. Les molécules d’eau qui composent l’amas sont contraintes et métaboliquement inertes. Seules les molécules d’eau libres jouent un rôle actif dans les réactions métaboliques. S'il existe de nombreux amas, cela conduit à l'immobilisation de l'eau, c'est-à-dire à l'exclusion de l'eau libre, à une limitation des processus enzymatiques et à une diminution de l'activité fonctionnelle de la cellule.

BIOLOGIE +Lorsque certains électrolytes, dont l'eau, se dissocient, des ions H se forment + et il - , dont la concentration détermine l'acidité ou la basicité des solutions et, par conséquent, les caractéristiques structurelles et l'activité de nombreuses biomolécules et processus vitaux. Cette concentration est mesurée à l'aide indice d'hydrogène - pH. pH - dixième logarithme négatif de concentration

Ions H + . Dans l'eau pure, cette concentration est de 1 à 10 -7 mole/l (-journal 10 -7 = 7 ) . Par conséquent, la réaction neutre de l'eau correspond au pH 7, acide - pH<7 и основной -pH>7. La longueur de l'échelle de pH va de 0 à 14. La valeur du pH dans les cellules est légèrement alcaline. Le modifier d’une ou deux unités est préjudiciable à la cellule. Le pH constant des cellules est maintenu par des systèmes tampons contenant un mélange d’électrolytes. Ils sont constitués d'acide faible (donneur SUBST +) et la base associée (accepteur H +) , qui lient donc les ions H + et obligations ON - , grâce à quoi la réaction du pH à l’intérieur de la cellule reste presque inchangée.

Composés hydrophiles et hydrophobes. Dans les molécules d'eau, deux paires d'électrons partagés sont déplacées vers l'oxygène, de sorte que la charge électrique à l'intérieur des molécules est inégalement répartie : les protons H + provoquent une charge positive sur un pôle et les paires d'électrons d'oxygène provoquent une charge négative sur le pôle opposé. Ces charges sont de taille égale et situées à une certaine distance les unes des autres. Ainsi, une molécule d'eau est une constante dipôle, qui peut interagir avec des porteurs de charges positives et négatives. La présence de pôles dans les molécules d'eau explique la capacité de l'eau à subir des réactions chimiques. hydratation.

En raison de leur polarité, les molécules d’eau peuvent s’attacher à des molécules ou à des ions de substances hydrosolubles pour former des hydrates (composés d’eau avec un soluté). Ces réactions sont exothermiques et, contrairement aux réactions d'hydrolyse, l'hydratation ne s'accompagne pas de formation d'ions hydrogène ou hydroxyle.

Lorsque les molécules d'eau interagissent avec des molécules de substances polaires, l'attraction des molécules d'eau vers la substance séparée dépasse l'énergie d'attraction entre les molécules d'eau. Par conséquent, les molécules ou les ions de ces composés sont intégrés dans le système général de liaisons hydrogène de l'eau. Substances hydrophiles - Ce sont des substances polaires qui peuvent bien se dissoudre dans l'eau. Il s'agit de sels cristallins solubles, de monosaccharides, de certains acides aminés, d'acides nucléiques, etc.

Dans le cas de l'interaction de molécules d'eau avec des molécules de substances non polaires, l'énergie d'attraction des molécules d'eau qu'elles contiennent sera inférieure à l'énergie des liaisons hydrogène. Les molécules non polaires tentent de s'isoler des molécules d'eau ; elles se regroupent et sont expulsées de la solution aqueuse. Substances hydrophobes - Ce sont des substances apolaires qui ne se dissolvent pas dans l'eau. Il s'agit de sels minéraux insolubles, de lipides, de polysaccharides, de certaines protéines, etc. Certaines molécules organiques ont des propriétés doubles : les groupes polaires sont concentrés dans certaines zones, et les groupes apolaires dans d'autres. Ce sont de nombreuses protéines, des phospholipides. elles sont appelées substances amphiphiles.

Là où il y a du Carbone, il y a une variété de substances organiques ; là où il y a du Carbone, il y a les structures les plus diverses en termes d’architecture moléculaire.

Encyclopédie d'un jeune chimiste

Dans la molécule d'eau, le personnage principal est l'atome d'oxygène.

Étant donné que les atomes d'hydrogène se repoussent sensiblement, l'angle entre les liaisons chimiques (lignes reliant les noyaux des atomes) hydrogène - oxygène n'est pas droit (90°), mais légèrement plus grand - 104,5°.

Les liaisons chimiques dans une molécule d’eau sont polaires, puisque l’oxygène attire les électrons chargés négativement et l’hydrogène attire les électrons chargés positivement. En conséquence, une charge négative en excès s’accumule près de l’atome d’oxygène et une charge positive s’accumule près des atomes d’hydrogène.

Par conséquent, la molécule d’eau entière est un dipôle, c’est-à-dire une molécule avec deux pôles opposés. La structure dipolaire de la molécule d’eau détermine en grande partie ses propriétés inhabituelles.

Une molécule d'eau est diamagnétique.

Si vous reliez les épicentres des charges positives et négatives avec des lignes droites, vous obtenez une figure géométrique tridimensionnelle - un tétraèdre. C'est la structure de la molécule d'eau elle-même.

Lorsque l'état de la molécule d'eau change, la longueur des côtés et l'angle entre eux changent dans le tétraèdre.

Par exemple, si une molécule d'eau est à l'état de vapeur, alors l'angle formé par ses côtés est de 104°27". À l'état d'eau, l'angle est de 105°03". Et dans des conditions de glace, l'angle est de 109,5°.

Géométrie et dimensions de la molécule d'eau pour différents états
a - pour l'état vapeur
b - pour le niveau vibratoire le plus bas
c - pour un niveau proche de la formation d'un cristal de glace, lorsque la géométrie de la molécule d'eau correspond à la géométrie de deux triangles égyptiens d'aspect 3 : 4 : 5
g - pour l'état de la glace.

Si on divise ces angles par deux, on obtient les angles :
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5° : 2 = 54°32".

Cela signifie que parmi les motifs géométriques des molécules d'eau et de glace, il y a le célèbre triangle égyptien, dont la construction est basée sur les relations de la proportion d'or - les longueurs des côtés sont dans le rapport 3:4:5 avec un angle de 53°08".

Une molécule d’eau acquiert la structure du nombre d’or en cours de route lorsque l’eau se transforme en glace, et vice versa lorsque la glace fond. Évidemment, l'eau de fonte est appréciée pour cette condition, lorsque sa structure en construction a les proportions du nombre d'or.

Il devient maintenant clair que le célèbre triangle égyptien avec un rapport d'aspect de 3:4:5 a été « tiré » de l'un des états de la molécule d'eau. La géométrie même de la molécule d’eau est formée de deux triangles rectangles égyptiens, ayant une branche commune égale à 3.

La molécule d’eau, basée sur le nombre d’or, est une manifestation physique de la Nature Divine, qui participe à la création de la vie. C'est pourquoi la nature terrestre contient l'harmonie inhérente à l'ensemble du cosmos.

C'est pourquoi les anciens Égyptiens ont divinisé les nombres 3, 4, 5 et considéraient le triangle lui-même comme sacré et essayaient d'incorporer ses propriétés, son harmonie dans toute structure, maison, pyramide et même dans le marquage des champs. À propos, les huttes ukrainiennes ont également été construites selon le nombre d'or.

Dans l'espace, une molécule d'eau occupe un certain volume et est recouverte d'une couche électronique en forme de voile. Si vous imaginez un modèle hypothétique d'une molécule dans un avion, il ressemble aux ailes d'un papillon, à un chromosome en forme de X dans lequel est écrit le programme de vie d'un être vivant. Et c'est un fait révélateur que l'eau elle-même est un élément essentiel de tous les êtres vivants.

Si vous imaginez l'apparition d'un modèle hypothétique d'une molécule d'eau en volume, alors il donne la forme d'une pyramide triangulaire, qui a 4 faces, et chaque face a 3 arêtes. En géométrie, une pyramide triangulaire est appelée tétraèdre. Cette structure est caractéristique des cristaux.

Ainsi, la molécule d'eau forme une structure angulaire forte, qu'elle conserve même lorsqu'elle est à l'état de vapeur, sur le point de se transformer en glace, et lorsqu'elle se transforme en glace.

Si le « squelette » d'une molécule d'eau est si stable, alors sa « pyramide » énergétique - le tétraèdre - est également inébranlable.

De telles propriétés structurelles de la molécule d'eau dans diverses conditions s'expliquent par des liaisons fortes entre deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Cette liaison est environ 25 fois plus forte que la liaison entre molécules d’eau voisines. Il est donc plus facile de séparer une molécule d’eau d’une autre, par exemple par chauffage, que de détruire la molécule d’eau elle-même.

En raison des interactions d'orientation, inductives et de dispersion (forces de Van der Waals) et des liaisons hydrogène entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène des molécules voisines, les molécules d'eau sont capables de se former sous forme d'associés aléatoires, c'est-à-dire n'ayant pas de structure ordonnée, et les clusters sont des associés ayant une certaine structure.

Selon les statistiques, dans l'eau ordinaire, il y a des associés aléatoires - 60 % (eau déstructurée) et des clusters - 40 % (eau structurée).

À la suite des recherches menées par le scientifique russe S.V. Zenin, des amas d'eau stables et à longue durée de vie ont été découverts.

Zenin a découvert que les molécules d'eau forment initialement un dodécaèdre. Quatre dodécaèdres se combinent pour former le principal élément structurel de l'eau : un amas composé de 57 molécules d'eau.

Dans un amas, les dodécaèdres ont des faces communes et leurs centres forment un tétraèdre régulier. Il s'agit d'un composé volumétrique de molécules d'eau, notamment d'hexamères, qui possède des pôles positifs et négatifs.

Les ponts hydrogène permettent aux molécules d’eau de se réunir de diverses manières. De ce fait, il existe une variété infinie d’amas dans l’eau.

Les clusters peuvent interagir les uns avec les autres grâce aux liaisons hydrogène libres, ce qui conduit à l'apparition de structures de second ordre sous forme d'hexaèdres. Ils sont constitués de 912 molécules d’eau, pratiquement incapables d’interagir. La durée de vie d’une telle structure est très longue.

Cette structure, semblable à un petit cristal de glace pointu à 6 faces rhombiques, a été créée par S.V. Zenin l'a appelé « le principal élément structurel de l'eau ». De nombreuses expériences ont confirmé qu'il existe des myriades de tels cristaux dans l'eau.

Ces cristaux de glace interagissent à peine les uns avec les autres, ils ne forment donc pas de structures stables plus complexes et glissent facilement leurs faces les unes par rapport aux autres, créant ainsi une fluidité. En ce sens, l’eau ressemble à une solution surfondue qui ne peut pas cristalliser.

doctorat O.V. Mosine

Une molécule d'eau est un petit dipôle contenant des charges positives et négatives à ses pôles. Puisque la masse et la charge du noyau d’oxygène sont supérieures à celles des noyaux d’hydrogène, le nuage électronique est attiré vers le noyau d’oxygène. Dans ce cas, les noyaux d’hydrogène sont « exposés ». Ainsi, le nuage électronique a une densité non uniforme. Il y a un manque de densité électronique près des noyaux d'hydrogène, et du côté opposé de la molécule, près du noyau d'oxygène, il y a un excès de densité électronique. C'est cette structure qui détermine la polarité de la molécule d'eau. Si vous reliez les épicentres des charges positives et négatives avec des lignes droites, vous obtenez une figure géométrique tridimensionnelle - un tétraèdre régulier.

La structure d'une molécule d'eau (photo de droite)

Du fait de la présence de liaisons hydrogène, chaque molécule d'eau forme une liaison hydrogène avec 4 molécules voisines, formant un cadre maillé ajouré dans la molécule de glace. Cependant, à l’état liquide, l’eau est un liquide désordonné ; Ces liaisons hydrogène sont spontanées, de courte durée, se brisent et se reforment rapidement. Tout cela conduit à une hétérogénéité dans la structure de l’eau.

Liaisons hydrogène entre les molécules d'eau (image en bas à gauche)

Le fait que l’eau soit de composition hétérogène est établi depuis longtemps. On sait depuis longtemps que la glace flotte à la surface de l'eau, c'est-à-dire que la densité de la glace cristalline est inférieure à la densité du liquide.

Pour presque toutes les autres substances, le cristal est plus dense que la phase liquide. De plus, même après la fonte, avec l’augmentation de la température, la densité de l’eau continue d’augmenter et atteint un maximum à 4°C. Moins connue est l’anomalie de compressibilité de l’eau : lorsqu’elle est chauffée depuis le point de fusion jusqu’à 40°C, elle diminue puis augmente. La capacité calorifique de l’eau dépend également de manière non monotone de la température.

De plus, à des températures inférieures à 30°C, avec une augmentation de la pression atmosphérique à 0,2 GPa, la viscosité de l'eau diminue, ainsi que le coefficient d'autodiffusion, paramètre qui détermine la vitesse de déplacement des molécules d'eau les unes par rapport aux autres, augmente.

Pour d'autres liquides, la relation est inverse, et il n'arrive presque nulle part qu'un paramètre important ne se comporte pas de manière monotone, c'est-à-dire a d'abord augmenté, et après avoir dépassé une valeur critique de température ou de pression, a diminué. On a supposé qu'en fait l'eau n'est pas un liquide unique, mais un mélange de deux composants qui diffèrent par leurs propriétés, par exemple la densité et la viscosité, et donc la structure. De telles idées ont commencé à surgir à la fin du XIXe siècle, lorsque de nombreuses données sur les anomalies de l'eau se sont accumulées.

Whiting a été le premier à proposer l'idée que l'eau est composée de deux composants en 1884. Sa paternité est citée par E.F. Fritsman dans la monographie « La nature de l'eau. Eau lourde », publié en 1935. En 1891, W. Rengten a introduit le concept de deux états de l'eau, qui diffèrent par leur densité. Par la suite, de nombreux ouvrages parurent dans lesquels l'eau était considérée comme un mélange d'associés de compositions différentes (« hydrols »).

Lorsque la structure de la glace a été déterminée dans les années 1920, il s'est avéré que les molécules d'eau à l'état cristallin forment un réseau continu tridimensionnel dans lequel chaque molécule a quatre voisins les plus proches situés aux sommets d'un tétraèdre régulier. En 1933, J. Bernal et P. Fowler ont suggéré qu'un réseau similaire existe dans l'eau liquide. Étant donné que l'eau est plus dense que la glace, ils pensaient que les molécules qu'elle contient ne sont pas disposées comme dans la glace, c'est-à-dire comme des atomes de silicium dans la tridymite minérale, mais comme des atomes de silicium dans une modification plus dense de la silice - le quartz. L'augmentation de la densité de l'eau lorsqu'elle est chauffée de 0 à 4°C s'explique par la présence du composant tridymite à basse température. Ainsi, le modèle Bernal-Fowler a conservé l'élément de double structure, mais leur principale réalisation a été l'idée d'un réseau tétraédrique continu. Puis est apparu le célèbre aphorisme de I. Langmuir : « L'océan est une grosse molécule ». Une spécification excessive du modèle n’a pas augmenté le nombre de partisans de la théorie du maillage unifié.

Ce n'est qu'en 1951 que J. Pople a créé un modèle de grille continue, moins spécifique que le modèle de Bernal-Fowler. Pople a imaginé l'eau comme un réseau tétraédrique aléatoire, dont les liaisons entre les molécules sont courbées et ont des longueurs différentes. Le modèle de Pople explique le compactage de l'eau lors de la fusion par la flexion des liaisons. Lorsque les premières déterminations de la structure des glaces II et IX sont apparues dans les années 60-70, il est devenu évident que la flexion des liaisons pouvait conduire au compactage de la structure. Le modèle de Pople n'a pas pu expliquer la dépendance non monotone des propriétés de l'eau à la température et à la pression, ainsi que les modèles à deux états. Par conséquent, l’idée de deux États a longtemps été partagée par de nombreux scientifiques.

Mais dans la seconde moitié du XXe siècle, il était impossible de fantasmer sur la composition et la structure des « hydrols » comme on le faisait au début du siècle. On savait déjà comment fonctionnent la glace et les hydrates cristallins, et ils en savaient beaucoup sur les liaisons hydrogène. Outre les modèles « continuum » (modèle de Popple), deux groupes de modèles « mixtes » sont apparus : le cluster et le clathrate. Dans le premier groupe, l'eau apparaissait sous la forme d'amas de molécules reliées par des liaisons hydrogène, qui flottaient dans une mer de molécules non impliquées dans de telles liaisons. Le deuxième groupe de modèles traitait l’eau comme un réseau continu (généralement appelé cadre dans ce contexte) de liaisons hydrogène contenant des vides ; ils contiennent des molécules qui ne forment pas de liaisons avec les molécules de la charpente. Il n'a pas été difficile de sélectionner les propriétés et les concentrations de deux microphases des modèles d'amas ou les propriétés de la charpente et le degré de remplissage de ses vides des modèles de clathrates afin d'expliquer toutes les propriétés de l'eau, y compris les fameuses anomalies.

Parmi les modèles de clusters, le plus marquant est celui de G. Némethy et H. Scheraghi.: Les images qu'ils ont proposées, représentant des amas de molécules liées flottant dans une mer de molécules non liées, ont été incluses dans de nombreuses monographies.

Le premier modèle de type clathrate a été proposé en 1946 par O.Ya. Samoilov : dans l'eau, est conservé un réseau de liaisons hydrogène semblable à la glace hexagonale, dont les cavités sont partiellement remplies de molécules monomères. L. Pauling en 1959 a créé une autre option, suggérant que la base de la structure pourrait être un réseau de liaisons inhérent à certains hydrates cristallins.

Durant la seconde moitié des années 60 et le début des années 70, tous ces points de vue convergent. Des variantes de modèles de cluster sont apparues dans lesquelles les molécules des deux microphases sont reliées par des liaisons hydrogène. Les partisans des modèles clathrates ont commencé à admettre la formation de liaisons hydrogène entre les molécules vides et les molécules de charpente. Autrement dit, les auteurs de ces modèles considèrent l'eau comme un réseau continu de liaisons hydrogène. Et nous parlons de l'hétérogénéité de cette grille (par exemple, en densité). L'idée de l'eau sous forme d'amas liés à l'hydrogène flottant dans une mer de molécules d'eau non liées a pris fin au début des années 80, lorsque G. Stanley a appliqué la théorie de la percolation, qui décrit les transitions de phase de l'eau, à la modèle d'eau.

En 1999, le célèbre chercheur russe en eau S.V. Zenin a soutenu sa thèse de doctorat à l'Institut des problèmes médicaux et biologiques de l'Académie des sciences de Russie sur la théorie des clusters, ce qui a constitué une étape importante dans l'avancement de ce domaine de recherche, dont la complexité est renforcée par le fait qu'ils sont à l'intersection de trois sciences : la physique, la chimie et la biologie. Sur la base des données obtenues par trois méthodes physicochimiques : la réfractométrie (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), la chromatographie liquide à haute performance (S.V. Zenin et al., 1998) et la résonance magnétique protonique (C S.V. Zenin, 1993) ont construit et prouvé une géométrie géométrique. modèle de la principale formation structurelle stable des molécules d'eau (eau structurée), puis (S.V. Zenin, 2004) une image de ces structures a été obtenue à l'aide d'un microscope à phase contrastée.

La science a maintenant prouvé que les particularités des propriétés physiques de l'eau et les nombreuses liaisons hydrogène de courte durée entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène voisins dans une molécule d'eau créent des opportunités favorables pour la formation de structures associées spéciales (clusters) qui perçoivent, stockent et transmettent un une grande variété d'informations.

L'unité structurelle de cette eau est un amas constitué de clathrates dont la nature est déterminée par les forces coulombiennes à longue portée. La structure des clusters code des informations sur les interactions qui ont eu lieu avec ces molécules d'eau. Dans les amas d'eau, en raison de l'interaction entre les liaisons covalentes et hydrogène entre les atomes d'oxygène et les atomes d'hydrogène, la migration d'un proton (H+) peut se produire via un mécanisme de relais, conduisant à une délocalisation du proton au sein de l'amas.

L'eau, composée de nombreux amas de différents types, forme une structure spatiale hiérarchique de cristaux liquides capable de percevoir et de stocker d'énormes quantités d'informations.

La figure (V.L. Voeikov) montre à titre d'exemple des diagrammes de plusieurs structures de cluster simples.

Quelques structures possibles de clusters d'eau

Des champs physiques de nature très différente peuvent être porteurs d'informations. Ainsi, la possibilité d'une interaction informationnelle à distance de la structure cristalline liquide de l'eau avec des objets de diverses natures en utilisant des champs électromagnétiques, acoustiques et autres a été établie. L'objet d'influence peut aussi être une personne.

L'eau est une source de rayonnement électromagnétique alternatif ultra-faible et faible. Le rayonnement électromagnétique le moins chaotique est créé par l’eau structurée. Dans ce cas, l'induction d'un champ électromagnétique correspondant peut se produire, modifiant les caractéristiques structurelles et informationnelles des objets biologiques.

Ces dernières années, des données importantes ont été obtenues sur les propriétés de l’eau surfondue. L’étude de l’eau à basse température est très intéressante, car elle peut être plus refroidie que d’autres liquides. En règle générale, la cristallisation de l'eau commence sur certaines inhomogénéités - soit sur les parois du récipient, soit sur des particules flottantes d'impuretés solides. Par conséquent, il n’est pas facile de trouver la température à laquelle l’eau surfondue cristalliserait spontanément. Mais les scientifiques ont réussi à le faire, et maintenant la température de la nucléation dite homogène, lorsque la formation de cristaux de glace se produit simultanément dans tout le volume, est connue pour des pressions allant jusqu'à 0,3 GPa, c'est-à-dire couvrant les régions d'existence de glace II.

De la pression atmosphérique jusqu'à la frontière séparant les glaces I et II, cette température descend de 231 à 180 K, puis augmente légèrement jusqu'à 190 K. En dessous de cette température critique, l’eau liquide est en principe impossible.

Structure de glace (photo de droite)

Cependant, il existe un mystère associé à cette température. Au milieu des années 80, une nouvelle modification de la glace amorphe a été découverte : la glace à haute densité, ce qui a contribué à faire revivre l'idée de l'eau comme un mélange de deux états. Ce ne sont pas des structures cristallines, mais des structures de glace amorphe de différentes densités qui ont été considérées comme prototypes. Ce concept a été formulé sous la forme la plus claire par E.G. Poniatovsky et V.V. Sinitsin, qui écrivait en 1999 : « L’eau est considérée comme une solution régulière de deux composants, dont les configurations locales correspondent à l’ordre de modification à courte distance de la glace amorphe. » De plus, en étudiant l’ordre à courte distance dans l’eau surfondue à haute pression à l’aide de méthodes de diffraction de neutrons, les scientifiques ont pu trouver des composants correspondant à ces structures.

Une conséquence du polymorphisme de la glace amorphe a également conduit à des hypothèses sur la séparation de l'eau en deux composants non miscibles à des températures inférieures au point critique hypothétique de basse température. Malheureusement, selon les chercheurs, cette température à une pression de 0,017 GPa est égale à 230 K - en dessous de la température de nucléation, donc personne n'a encore pu observer la stratification de l'eau liquide. Ainsi, la renaissance du modèle à deux états pose la question de l’hétérogénéité du réseau de liaisons hydrogène dans l’eau liquide. Cette hétérogénéité ne peut être comprise qu’à l’aide de modélisation informatique.

Parlant de la structure cristalline de l'eau, il convient de noter que 14 modifications de la glace sont connues, dont la plupart ne se trouvent pas dans la nature, dans laquelle les molécules d'eau conservent leur individualité et sont reliées par des liaisons hydrogène. D’autre part, il existe de nombreuses variantes du réseau de liaisons hydrogène dans les clathrates hydratés. Les énergies de ces réseaux (glaces à haute pression et clathrates hydratés) ne sont pas très supérieures aux énergies des glaces cubiques et hexagonales. Par conséquent, des fragments de telles structures peuvent également apparaître dans l’eau liquide. Il est possible de construire d'innombrables fragments non périodiques différents, dont les molécules ont quatre voisins les plus proches situés approximativement aux sommets du tétraèdre, mais leur structure ne correspond pas aux structures des modifications connues de la glace. Comme de nombreux calculs l'ont montré, les énergies d'interaction des molécules dans de tels fragments seront proches les unes des autres, et il n'y a aucune raison de dire qu'une structure quelconque devrait prévaloir dans l'eau liquide.

Les études structurelles de l'eau peuvent être étudiées en utilisant différentes méthodes ; spectroscopie de résonance magnétique du proton, spectroscopie infrarouge, diffraction des rayons X, etc. Par exemple, la diffraction des rayons X et des neutrons dans l'eau a été étudiée à de nombreuses reprises. Cependant, ces expériences ne peuvent pas fournir d’informations détaillées sur la structure. Des inhomogénéités de densité différente pourraient être observées par la diffusion de rayons X et de neutrons sous de petits angles, mais ces inhomogénéités doivent être importantes, constituées de centaines de molécules d'eau. Il serait possible de les observer en étudiant la diffusion de la lumière. Or, l’eau est un liquide extrêmement transparent. Le seul résultat des expériences de diffraction est la fonction de distribution radiale, c'est-à-dire la distance entre les atomes d'oxygène, d'hydrogène et d'oxygène-hydrogène. Il ressort clairement d’eux qu’il n’y a pas d’ordre à long terme dans la disposition des molécules d’eau. Ces fonctions se dégradent beaucoup plus rapidement pour l’eau que pour la plupart des autres liquides. Par exemple, la distribution des distances entre les atomes d'oxygène à des températures proches de la température ambiante ne donne que trois maxima, à 2,8, 4,5 et 6,7 Å. Le premier maximum correspond à la distance aux voisins les plus proches, et sa valeur est approximativement égale à la longueur de la liaison hydrogène. Le deuxième maximum est proche de la longueur moyenne du bord d'un tétraèdre - rappelez-vous que les molécules d'eau dans la glace hexagonale sont situées le long des sommets d'un tétraèdre décrit autour de la molécule centrale. Et le troisième maximum, très faiblement exprimé, correspond à la distance aux troisièmes voisins et plus éloignés du réseau hydrogène. Ce maximum en lui-même n'est pas très brillant et il n'est pas nécessaire de parler d'autres pics. Des tentatives ont été faites pour obtenir des informations plus détaillées à partir de ces distributions. Ainsi, en 1969, I.S. Andrianov et I.Z. Fisher a trouvé des distances jusqu'au huitième voisin, tandis que pour le cinquième voisin, elle s'est avérée être de 3 Å et pour le sixième de 3,1 Å. Cela permet d'obtenir des données sur l'environnement lointain des molécules d'eau.

Une autre méthode d'étude de la structure, la diffraction des neutrons sur les cristaux d'eau, s'effectue exactement de la même manière que la diffraction des rayons X. Cependant, étant donné que les longueurs de diffusion des neutrons ne diffèrent pas tellement entre les différents atomes, la méthode de substitution isomorphe devient inacceptable. En pratique, on travaille généralement avec un cristal dont la structure moléculaire a déjà été déterminée approximativement par d'autres méthodes. Les intensités de diffraction des neutrons sont ensuite mesurées pour ce cristal. Sur la base de ces résultats, une transformée de Fourier est réalisée, au cours de laquelle sont utilisées les intensités et phases neutroniques mesurées, calculées en tenant compte des atomes non hydrogène, c'est-à-dire atomes d'oxygène dont la position dans le modèle de structure est connue. Ensuite, sur la carte de Fourier ainsi obtenue, les atomes d'hydrogène et de deutérium sont représentés avec des poids beaucoup plus importants que sur la carte de densité électronique, car la contribution de ces atomes à la diffusion des neutrons est très importante. Grâce à cette carte de densité, vous pouvez par exemple déterminer la position des atomes d'hydrogène (densité négative) et de deutérium (densité positive).

Une variante de cette méthode est possible, qui consiste dans le fait que le cristal formé dans l'eau est conservé dans de l'eau lourde avant les mesures. Dans ce cas, la diffraction des neutrons permet non seulement de déterminer où se trouvent les atomes d'hydrogène, mais également d'identifier ceux d'entre eux qui peuvent être échangés contre du deutérium, ce qui est particulièrement important lors de l'étude des échanges isotopiques (H-D). Ces informations permettent de confirmer que la structure a été correctement établie.

D'autres méthodes permettent également d'étudier la dynamique des molécules d'eau. Celles-ci incluent des expériences sur la diffusion quasi-élastique des neutrons, la spectroscopie IR ultrarapide et l'étude de la diffusion de l'eau à l'aide de RMN ou d'atomes de deutérium marqués. La méthode de spectroscopie RMN est basée sur le fait que le noyau d'un atome d'hydrogène possède un moment magnétique - spin, qui interagit avec des champs magnétiques constants et variables. À partir du spectre RMN, on peut juger dans quel environnement se trouvent ces atomes et noyaux, obtenant ainsi des informations sur la structure de la molécule.

À la suite d'expériences sur la diffusion quasi-élastique des neutrons dans les cristaux d'eau, le paramètre le plus important a été mesuré : le coefficient d'autodiffusion à différentes pressions et températures. Pour juger du coefficient d'autodiffusion à partir de la diffusion quasiélastique des neutrons, il est nécessaire de faire une hypothèse sur la nature du mouvement moléculaire. S'ils se déplacent selon le modèle de Ya.I. Frenkel (célèbre physicien théoricien russe, auteur de la « Théorie cinétique des liquides » - un livre classique traduit dans de nombreuses langues), également appelé modèle « saut-attente », puis durée de vie « réglée » (temps entre les sauts) du la molécule est de 3,2 picosecondes. Les dernières méthodes de spectroscopie laser femtoseconde ont permis d'estimer la durée de vie d'une liaison hydrogène rompue : il faut à un proton 200 fs pour trouver un partenaire. Cependant, ce sont toutes des valeurs moyennes. Il est possible d'étudier les détails de la structure et de la nature du mouvement des molécules d'eau uniquement à l'aide d'une simulation informatique, parfois appelée expérience numérique.

Voici à quoi ressemble la structure de l'eau selon les résultats de la modélisation informatique (selon le docteur en sciences chimiques G. G. Malenkov). La structure générale désordonnée peut être divisée en deux types de régions (représentées par des boules sombres et claires), qui diffèrent par leur structure, par exemple par le volume du polyèdre de Voronoï (a), le degré de tétraédralité de l'environnement immédiat ( b), la valeur de l'énergie potentielle (c), et également en présence de quatre liaisons hydrogène dans chaque molécule (d). Cependant, ces zones changeront littéralement d'emplacement en un instant, après quelques picosecondes.

La simulation s'effectue ainsi. La structure de glace est prélevée et chauffée jusqu'à ce qu'elle fonde. Puis, après un certain temps pour que l'eau « oublie » son origine cristalline, des microphotographies instantanées sont prises.

Pour analyser la structure de l'eau, trois paramètres sont sélectionnés :
- degré de déviation de l'environnement local de la molécule par rapport aux sommets d'un tétraèdre régulier ;
-énergie potentielle des molécules ;
-le volume du polyèdre dit de Voronoi.

Pour construire ce polyèdre, prenez une arête d'une molécule donnée à la plus proche, divisez-la en deux et tracez un plan passant par ce point perpendiculaire à l'arête. Cela donne le volume par molécule. Le volume d'un polyèdre est la densité, la tétraédralité est le degré de distorsion des liaisons hydrogène, l'énergie est le degré de stabilité de la configuration moléculaire. Les molécules ayant des valeurs similaires pour chacun de ces paramètres ont tendance à se regrouper en groupes distincts. Les régions à faible et à haute densité ont des valeurs énergétiques différentes, mais elles peuvent également avoir les mêmes valeurs énergétiques. Des expériences ont montré que des zones avec des structures différentes, des clusters apparaissent spontanément et se désintègrent spontanément. La structure entière de l’eau est vivante et en constante évolution, et la durée pendant laquelle ces changements se produisent est très courte. Les chercheurs ont surveillé les mouvements des molécules et ont constaté qu'elles effectuaient des vibrations irrégulières avec une fréquence d'environ 0,5 ps et une amplitude de 1 angström. De rares sauts lents d’angströms qui durent des picosecondes ont également été observés. En général, en 30 ps, ​​une molécule peut se déplacer de 8 à 10 angströms. La durée de vie de l'environnement local est également courte. Les régions composées de molécules avec des valeurs de volume similaires au polyèdre de Voronoi peuvent se désintégrer en 0,5 ps, ou elles peuvent vivre plusieurs picosecondes. Mais la répartition des durées de vie des liaisons hydrogène est très large. Mais ce temps ne dépasse pas 40 ps, ​​et la valeur moyenne est de plusieurs ps.

En conclusion, il convient de souligner que La théorie de la structure groupée de l’eau comporte de nombreux pièges. Par exemple, Zenin suggère que le principal élément structurel de l'eau est un amas de 57 molécules formées par la fusion de quatre dodécaèdres. Ils ont des faces communes et leurs centres forment un tétraèdre régulier. On sait depuis longtemps que les molécules d’eau peuvent être localisées aux sommets d’un dodécaèdre pentagonal ; un tel dodécaèdre est à la base des hydrates de gaz. Il n’y a donc rien d’étonnant à supposer l’existence de telles structures dans l’eau, même s’il a déjà été dit qu’aucune structure spécifique ne peut être prédominante et exister pendant longtemps. Il est donc étrange que cet élément soit supposé être le principal et qu'il contienne exactement 57 molécules. À partir de boules, par exemple, vous pouvez assembler les mêmes structures, constituées de dodécaèdres adjacents les uns aux autres et contenant 200 molécules. Zenin affirme que le processus de polymérisation tridimensionnelle de l'eau s'arrête à 57 molécules. Selon lui, il ne devrait pas y avoir de plus grands associés. Cependant, si tel était le cas, les cristaux de glace hexagonaux, qui contiennent un grand nombre de molécules liées entre elles par des liaisons hydrogène, ne pourraient pas précipiter à partir de la vapeur d'eau. On ne sait absolument pas pourquoi la croissance du cluster Zenin s'est arrêtée à 57 molécules. Pour éviter les contradictions, Zenin regroupe les amas en formations plus complexes - des rhomboèdres - de près d'un millier de molécules, et les amas d'origine ne forment pas de liaisons hydrogène entre eux. Pourquoi? En quoi les molécules à leur surface sont-elles différentes de celles à l’intérieur ? Selon Zenin, la configuration des groupes hydroxyles à la surface des rhomboèdres assure la mémoire de l'eau. Par conséquent, les molécules d’eau dans ces grands complexes sont rigidement fixées et les complexes eux-mêmes sont des solides. Cette eau ne coulera pas et son point de fusion, qui est lié au poids moléculaire, devrait être très élevé.

Quelles propriétés de l'eau le modèle de Zenin explique-t-il ? Puisque le modèle est basé sur des structures tétraédriques, il peut être plus ou moins cohérent avec les données de diffraction des rayons X et des neutrons. Cependant, il est peu probable que le modèle puisse expliquer la diminution de la densité lors de la fonte - l'emballage des dodécaèdres est moins dense que la glace. Mais le plus difficile à accepter est le modèle aux propriétés dynamiques - fluidité, valeur élevée du coefficient d'auto-diffusion, temps de corrélation court et de relaxation diélectrique, qui se mesurent en picosecondes.

doctorat O.V. Mosine

Les références:
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